Перлит

  В настоящее время на основе перлитового сырья производят в основном вспученный перлит в виде пористого песка и щебня, используемые в качестве пористых заполнителей для легких бетонов. К сожалению, и эти материалы обладают рядом серьезных недостатков, к числу которых относятся низкая прочность, высокое водопоглощение, неоднородность структуры и свойств, обусловленных особенностями технологии, трудно поддающейся управлению. Под оптимальными условиями вспучивания подразумевается не только режим, обеспечивающий максимальное вспучивание материала, но и любой режим, позволяющий получать вспученный продукт с заранее заданными физико-механическими свойствами и структурой.
  Управляемая технология вспучивания перлита возможна. Ее теоретические положения базируются на анализе физико-химических процессов; напряженно-деформированного состояния материала при термической обработке; процессов формирования пористой структуры материала; термодинамических процессов, проходящих при нагревании стекла, агрегатное состояние которого при этом изменяется. Для повышения качества пористого материала на базе перлита необходимо досконально изучить и максимально использовать природные свойства сырья, при этом очень важно сохранить в перлите связанную воду до перехода стекла в пиропластическое состояние. Необходимо учитывать, что при плавном нагревании перлита до перехода в пиропластическое состояние, его разрушения можно избежать, что позволит повысить прочность и снизить водопоглощение готового продукта, т.к. уменьшится количество трещин, снижающих прочность материала и служащих путями миграции влаги внутрь гранулы, но при этом из перлита удалится вода, которая играет решающую роль в процессе вспучивания.
  В результате анализа механизма формирования малодефектной пористой структуры вспученных вулканических стёкол (перлитовых пород) установлено, что для управления процессом порообразования при обжиге основное внимание следует акцентировать на уменьшении дегидратации перлита прежде, чем он перейдет в пиропластическое состояние.
  Ответ на вопрос как сохранить связанную воду в перлите, нагретом до температуры, при которой он размягчится, дает закон динамического равновесия химических реакций, известный как принцип Ле-Шателье-Брауна: “если на систему оказывать внешнее воздействие, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет эффект внешнего воздействия”. Поскольку дегидратация связана с увеличением объёма водяного пара, создание противодавления смещает химическое равновесие, предотвращая дегидратацию и позволяя в значительной степени сохранить содержание связанной воды в перлите при высоких температурах. Тем самым создаются условия, обеспечивающие последующий эффект вспучивания перлита, который при снятии противодавления находится в пиропластическом состоянии.
  Изменяя параметры баротермальной обработки, можно управлять процессом вспучивания перлита и получать материал с заранее заданными улучшенными свойствами. Этот материал получил название “баротелит”.

В зависимости от параметров агрегатного состояния перлитового стекла и изменения объёма гранулы, в процессе баротермальной обработки можно выделить пять этапов.
  Чтобы сохранить в перлите связанную воду в количестве, необходимом для эффективного протекания процесса вспучивания, обработку сырья начинают с создания повышенного внешнего давления на перлит, при помощи водяного пара и плавного подъёма температуры. На первом этапе с ростом температуры внешнее давление повышается, а объём гранулы остаётся неизменным. В конце этого этапа при 500…600 °С под воздействием температуры стекло переходит из хрупкого в упруговязкое состояние и начинается образование жидкой фазы.
  Второй этап можно начинать с резкого подъёма температуры, не опасаясь разрушения гранул. Внешнее давление препятствует разрушению связей воды со стеклом и выделению её в виде пара, поэтому наблюдается незначительный прирост объёма гранул.
  Третий этап проходит после сброса давления при продолжающемся подъёме температуры. Повышение скорости подъёма температуры и изменение режима обжига позволяют направленно воздействовать на формирование структуры и свойств пористого материала. При высоких скоростях подъёма температуры в процессе порообразования участвует максимальное количество высвобождающейся в виде пара связанной воды, поэтому представляется возможность получить наиболее лёгкий материал с большим количеством газовых пузырьков.
  Замедление скорости подъёма температуры позволяет части воды уйти из перлита без участия в процессе порообразования, что приводит к снижению эффекта вспучивания, поэтому материал получается более тяжелым.
  Длительность процесса обжига также влияет на формирование структуры новообразования. При кратковременном обжиге получается мелкопористый материал. Увеличение продолжительности обжига ведёт к увеличению размера пор, особенно в заключительной стадии этапа, когда температура и пиропластическое состояние стекла достигают максимума.
  Четвёртый этап характеризуется началом процесса охлаждения и заканчивается переходом пиропластичного вспученного материала в упруго-твёрдое состояние. При охлаждении гранул на этом этапе, от температуры вспучивания до 500…600 °С, их объём уменьшается.
  На пятом, заключительном этапе происходит дальнейшее охлаждение уже отвердевшего хрупкого материала, объём гранул которого остаётся неизменным. Низкая теплопроводность пористого стекла способствует возникновению в грануле температурных градиентов и вызванных ими внутренних термических напряжений, величина которых уменьшается по мере выравнивания температуры между поверхностью и центром гранулы.
  Основные теоретические положения о влиянии баротермального воздействия на процесс вспучивания вулканических водосодержащих стёкол и формирование свойств баротелита были подвергнуты экспериментальной проверке. Краткая характеристика вулканических водосодержащих стёкол, использованных при проведении экспериментов, приведена в таблице 1.
  Определение характеристик теплового расширения перлита, находящегося в твёрдом состоянии, проводили кварцевым дилатометром конструкции ВНИИФТРИ. Для трёх испытанных разновидностей вулканических водосодержащих стёкол при подъёме температуры до утраты стеклом хрупкости, относительная температурная деформация имеет почти линейный характер и составляет 2900 х 10 –6…3000 х 10 –6, затем деформация плавно уменьшается в связи с тем, что в стекле начинается образование жидкой фазы. С учётом воздействия на перлит повышенного давления, утрата им хрупкости происходит при температуре 550…600 °С. Эта температура характеризует конец первого этапа и свидетельствует о прекращении деструктивных процессов.
  Сохранение связанной воды после баротермальной обработки на втором этапе и влияние давления на этот процесс определялось путём нагревания и охлаждения перлита под давлением. По результатам исследования можно сделать заключение о том, что при повышении температуры связи воды со стеклом ослабевают. Вода, высвобождающаяся при этом в виде пара, образует в размягченном стекле зародыши пор, что приводит к незначительному увеличению объёма материала.
  На четвёртом этапе вспученный стеклянный расплав охлаждается и при температуре ниже 500 °С затвердевает. Пластичный вначале материал легко поддаётся деформациям, поэтому его охлаждение сопровождается уменьшением объёма гранул. По мере охлаждения, способность расплава к пластическим деформациям снижается. Установлено, что вероятность уменьшения объёма гранул снижается при повышении скорости охлаждения. Так, максимальный объём гранулы через 5 мин. после начала охлаждения уменьшился на 12%, через 10 мин. – на 29%.
  На пятом, заключительном этапе происходит окончательное охлаждение твёрдого вспученного материала при неизменном объёме гранул. Из-за низкой теплопроводности материала охлаждение центральной части гранулы происходит медленнее, чем охлаждение её поверхности, что приводит к возникновению температурных напряжений. Для того, чтобы они не разрушили структуру материала, охлаждение необходимо осуществлять осторожно. Баротелит, охлаждённый со скоростью 20 град/мин, прочнее баротелита, охлаждённого со скоростью 60 град/мин, в 3 раза, а его водопоглощение в 2 раза ниже. Баротелит, охлаждённый со скоростью 10 град/мин, прочнее в 6…8 раз, а его водопоглощение в три раза ниже.
  На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований получены результаты, подтверждающие эффективность баротермальной обработки вулканических водосодержащих стёкол. Попутно было проверено влияние баротермальной обработки на некоторые вулканические стёкла, которые не применяются при традиционной технологии вспучивания. С этой целью были испытаны: перлит и витрокластический туф, частично изменённые и окристаллизованные (образец №1) и изменённый витрокластический туф, интенсивно монтмориллонизированный и слабо цеолитизированный. После обработки традиционным способом средняя плотность образца №1 составила 1,43 г/см3 , образца №2 – 1,96 г/см3 . Те же материалы, обработанные по баротермальной технологии вспучились и имели среднюю плотность 0,45; 0,69 г/см3 соответственно. Эти результаты позволяют надеяться на возможность расширения сырьевой базы за счёт использования сырья, которое в настоящее время считается некондиционным.

  Сравнение баротелита с вспученным перлитом и керамзитом (табл.2) показывает его значительное превосходство по основным физико-механическим показателям.
  Сочетание высоких физико-механических свойств баротелитовых заполнителей с широким диапазоном гранулометрического состава создаёт предпосылки для получения на его основе эффективных лёгких бетонов. Высокоразвитая поверхность гранул баротелита обеспечивает условия формирования хорошей контактной зоны с цементным камнем. Низкая средняя плотность, низкое водопоглощение и высокая прочность зёрен баротелита способствуют получению конкурентоспособного баротелитобетона.
   Баротелит был задуман как эффективный пористый заполнитель для лёгких бетонов. Однако в процессе работы над его созданием, выявлена возможность использования баротелита для получения из него пористых строительных изделий без применения цемента или других вяжущих веществ. По этому способу баротелит, только что выгруженный из печи и находящийся в пиропластическом состоянии, сразу подвергают высокотемпературному нагреву до образования на поверхности гранул оплавленной плёнки. Обработанные таким образом гранулы помещают в пресс формы и формуют изделия. Под воздействием давления гранулы соприкасаются между собой оплавленными поверхностными плёнками, склеиваются, превращая бесформенную массу в оформленное изделие.
  Пористые баротелитные заполнители для легких бетонов, для которых они служат полуфабрикатами, весьма эффективны. Перспективным представляется и использование баротермальной технологии для изготовления конструкционно-теплоизоляционных изделий, которые имеют технико-экономические преимущества перед легкими бетонами и другими материалами.
  Баротермальная технология, разработанная и апробированная в России, находится в начальной стадии развития и ждет “своего часа” в третьем тысячелетии.